間歇進水對跌水接觸氧化組合工藝處理效果影響分析

劉旭東 趙昊然 梁異璞 孔喜鑫

【關鍵詞】村鎮污水;生物-生態組合裝置;跌水接觸氧化;跌水方式;人工濕地

【中圖分類號】X703.1;TQ031.7【文獻標識碼】A【文章編號】1674-0688（2021）08-0061-03

為響應“十三五”規劃任務及全面建成小康社會，各級政府都在推進“美麗鄉村”的建設。其中，完善村鎮相應的生活污水處理設施是最重要且極具挑戰性的一環。由于村鎮人口密度低、水質簡單穩定，前期投資小、運行成本低、建設周期短、氮磷可資源化利用的人工濕地相比傳統污水處理廠優勢巨大，因此受到廣泛關注[1-2]。

跌水曝氣指利用高位水與低位水間高差，水體在自由跌落過程中進行充氧的曝氣方式。跌水接觸氧化裝置與人工濕地可借助地形因素自然結合，建造費用低且周期短，對COD、NH4+-N、總磷的處理效果有明顯提升;極大地減少了運行和維護的成本[3-4]。目前，吳義鋒[5]、李文祺[6]等人研究了不同曝氣形式與跌水高度對裝置內充氧效果的影響;商光琦[7]等人利用一種跌水紊流穿孔板研究了紊流狀態對充氧效果的影響;蔣毓婷、許海瀛[8]等人設計了一種單板交替式跌水裝置，用于改善跌水狀態，從而提高充氧效果及生物氧化效率;張躍峰[9]等人探究了水溫、填料對充氧效果及污染物去除效率的影響。目前，大多數研究基于裝置改良、工藝組合及水流狀態優化提升系統內充氧效果[5，10]，借此提升污染物去除效率。單板交替式跌水-人工濕地組合裝置作為一種新型工藝，針對其進水模式的影響研究卻鮮有報道。

本文對比了單一人工濕地與單板交替式跌水接觸氧化-人工濕地組合設備（簡稱組合設備）運行狀態及對出水COD、NH4+-N、TN、TP等污染物等的去除效果，并探究不同進水條件下組合設備對不同污染物去除效果的影響，以期為此工藝的應用提供一定的參考依據。

1 實驗裝置及藥品

1.1 實驗裝置

實驗采用跌水板左右交錯放置的跌水裝置，使其與人工濕地裝置組合。該跌水裝置為有機玻璃制作，跌水裝置高1 450 mm（跌水高度在20～120 cm可控），具體尺寸長為1 200 mm，寬500 mm，高400 mm，容積為240 L。每一層跌水隔板上都有懸掛填料的凸起，方便懸掛填料放置污泥隨跌落的水體流入下一跌水板。在跌水板外邊緣處設計有均勻的齒墩，底部設有3 m高的拔風裝置，高度可控。

人工濕地裝置單元采用2個濕地池串聯。2個濕地處理池從底部向上依次填充20～50 mm的碎石（15 cm左右），2～10 mm的礫石（20 cm左右），0.5～5 mm的粗砂（20 cm左右），0.25～0.35 mm的細沙（20 cm左右），表面有2～4 cm水深[4]。人工濕地整體流態屬于混合流態。組合裝置示意簡圖如圖1所示。

1.2 實驗用水

本實驗村鎮污水為自配模擬污水，選用葡萄糖維持原水中COD穩定于250 mg/L，模擬污水的配制方法為葡萄糖（0.13 mg·L-1），蛋白胨（0.15 mg·L-1），NH4Cl（0.08 mg·L-1），NaCl（0.1 mg·L-1），NaHCO3（0.14 mg·L-1），KH2PO4（0.012 mL·L-1），另加入些許微量元素（Zn、Ca、Mg）溶液（1 mL·L-1）。

2 人工濕地與組合工藝處理效果比對

2.1 實驗條件

為了考查跌水接觸氧化裝置對于人工濕地裝置增氧的具體情況，對人工濕地裝置（簡稱A裝置）與跌水接觸氧化-人工濕地裝置（簡稱B裝置）在相同條件下進行平行對比試驗。試驗進行條件見表1。

2.2 結果及分析

由圖2、圖3可看出，B裝置對COD、NH4+-N的處理效果更佳，跌水接觸氧化裝置對COD、NH4+-N處理的平均貢獻率分別為47.4%、33.7%。實驗進行到第15 d后，兩種裝置出水COD及NH4+-N趨于穩定，B裝置出水COD均在60 mg/L以下、NH4+-N均少于7.7 mg/L，遠低于A裝置的平均出水COD（250 mg/L）及NH4+-N（20 mg/L）。

3 不同進水條件下B裝置對各污染物的去除

3.1 實驗條件

相關研究表明，連續的進水會使濕地長期積水，從而制約濕地表層與空氣的接觸，不利于濕地系統的有效復氧，適時的間歇運行對于人工濕地的脫氮除磷有增益作用[6]，并且人工濕地系統充氧率的增高對COD的去除率也會有一定的提升。為此，在濕地連續運行若干天后選擇在進水7 h后停止進水7 h在HRT為14 h的工況下運行，并與連續進水做比較分析。具體運行參數見表2。

3.2 COD處理效果分析

如圖4所示，間歇式進水的工況下COD的平均去除率為80.01%，連續式進水工況下平均去除率為77.78%，相比而言，COD的去除率提高了2.87%。

間歇進水組對COD的去除率相對來說更加穩定，但去除率的增長卻相對緩慢，這是因為跌水接觸氧化裝置能提供的生物需氧量有限，并不能過多滿足不斷增長的微生物。在第17 d更新填料后，去除率有小幅提升后又開始降低至平穩，說明在跌水接觸氧化裝置中有部分微生物在間歇進水的模式下已經發生厭氧，后續進水階段難以令這部分微生物恢復其生命力。

3.3 NH4+-N、TN處理效果分析

如圖5和圖6所示，間歇式進水的工況下NH4+-N的平均去除率為81.27%，TN平均去除率為80.95%;連續式進水工況下NH4+-N平均去除率為80.78%，TN平均去除率為76.81%。相比而言，NH4+-N的去除率增加了0.61%，TN去除率增加了5.39%。

連續式進水的工況下，對NH4+-N、TN的去除效果一直很穩定;間歇式進水工況在第17天更新填料后NH4+-N、TN去除率分別提升12.71%、18.8%。這其中可能是間歇式進水提供的DO不穩定，無法提供硝化菌適宜的好氧環境，使得接觸氧化池中的硝化反應不能充分地進行，但間歇式進水使人工濕地保持干濕交替的形態，在內部形成穩定的好氧—缺氧—厭氧區域，從而為微生物的硝化反硝化提供了穩定的反應條件，增強了人工濕地模塊的整體脫氮能力。

3.4 TP處理效果分析

如圖7、8所示，間歇式進水工況下TP的平均去除率為72.31%，平均出水TP為0.82 mg/L;連續式進水工況下TP平均去除率為67.81%，平均出水TP為1.01 mg/L。相比而言，去除率增加了6.64%。

間歇運行工況下濕地表層與空氣經過一定時間的接觸后，上層基質中的好氧微生物活性增加更加有利于磷細菌的代謝。通過磷細菌好氧吸磷作用后的出水TP會明顯下降，但在較深的下部濕地基質中存在一定程度的厭氧條件，磷細菌厭氧放磷，只能通過基質的吸附沉淀發揮除磷效果。

4 結論

（1）單板交替式跌水接觸氧化裝置對人工濕地COD、NH4+-N的去除率具有明顯的提升作用，平均貢獻率分別為47.4%、33.7%;對TN、TP去除率的提升較少，平均貢獻率分別為2.8%、2.6%。

（2）在HRT為14 h、間歇周期為7 h的工況下，相較于連續進水模式，COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分別提升2.87%、0.61%、5.39%、6.64%。其中，間歇進水模式平均出水COD、NH4+-N、TP可達一級B標準，所以一定時間的間歇運行對于人工濕地來說，既能夠起到優化處理效率的效果，又能起到節能的作用。

（3）間歇運行對組合裝置污染物去除的促進作用主要表現為使人工濕地保持干濕交替狀態，一方面提高上層基質中好氧微生物的活性，另一方面在內部形成穩定的好氧—缺氧—厭氧區域。

參 考 文 獻

[1]VO T D H，BUI X T，LIN C，et al.A mini-review on shallow-bed constructed wetlands：a promising innovative green roof[J].Curr Opin Environ Sci H-

ealth，2019，12：38-47.

[2]胡小波，駱輝，荊肇乾，等.農村生活污水處理技術的研究進展[J].應用化工，2020，49（11）：2871-2876.

[3]蔣毓婷，許海瀛.跌水接觸氧化-人工濕地技術處理農村污水研究[J].遼寧化工，2018，47（7）：671-673.

[4]張躍峰.生物生態組合型農村生活污水處理系統污染物去除特性及工藝模擬研究[D].南京：東南大學，2018.

[5]ILYAS H，VAN HULLEBUSCH E D.A review on t-he occurrence，fate and removal of steroidal hormones during treatment with different types of co-nstructed wetlands[J].J Environ Chem Eng，2020，8（3）：122086.

[6]熊家晴，孫璐楊，陳浩，等.不同基質磷吸附性能及其在表流人工濕地中應用[J].工業水處理，2015，35（1）：72-76.

[7]商光琦，余太平，孫士權，等.分散式污水處理工藝跌水裝置設計與充氧性能研究[J].環境科學與技術，2020，43（8）：156-162.

[8]蔣毓婷，許海瀛.跌水接觸氧化-人工濕地技術處理農村污水研究[J].遼寧化工，2018，47（7）：671-673.

[9]張躍峰.生物生態組合型農村生活污水處理系統污染物去除特性及工藝模擬研究[D].南京：東南大學，2018.

[10]LIU R，ZHAO Y，DOHERTY L，et al.A review? of incorporation of constructed wetland with other treatment processes[J].Chem Eng J，2015，279：220-230.